一種基于云節(jié)點(diǎn)損壞小區(qū)域替代的傳感通信算法

A cloud based on a small area of the node damage replace sensor communication agreement

ABSTRACT：Cloud computing to the sensor network communication node, there will be a single cloud node communication necrosis, causing the process will be the whole distance communication according to choose other node, the selection process randomness is bigger, communication efficiency is not high. In order to improve the communication network computing clouds efficiency is proposed based on a small regional cloud automatic distance test alternative to the node network communication agreement. Through the surrounding recent node form a node can substitute the area, through the calculation small area most effective distance, choose appropriate cloud connected alternative node. Ensure that communication efficiency. The experimental results show that the method can be used to large computing clouds appear in the death of the network nodes are replacing, improve the efficiency of the node channel communications.   

KEYWORDS：Cloud computing; Node necrosis; Region distance alternative 

0引言

云計(jì)算的傳感網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)中，計(jì)算量巨大，隨著計(jì)算量的增加，會(huì)出現(xiàn)單個(gè)云節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡造成的通信壞死，一旦節(jié)點(diǎn)壞死，算法會(huì)選擇一個(gè)替代節(jié)點(diǎn)。選擇的過(guò)程往往會(huì)根據(jù)全程路由距離選擇其他替代節(jié)點(diǎn)，選擇過(guò)程隨機(jī)性較大，缺少必要的約束條件，很難保證選擇到最優(yōu)節(jié)點(diǎn)替代節(jié)點(diǎn)，一旦選擇了大量的非最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，會(huì)造成通信效率不高的問(wèn)題。

為解決這一問(wèn)題，本文提出一種基于小區(qū)域云節(jié)點(diǎn)自動(dòng)距離檢測(cè)替代的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。通過(guò)周邊最近節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)可替代的區(qū)域【5~6】，通過(guò)計(jì)算小區(qū)域內(nèi)最為有效的距離，選擇合適的云計(jì)算替代節(jié)點(diǎn)。保證通信效率。

1傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程及原理

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信的常規(guī)方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的通信標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相鄰分布的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如果1個(gè)節(jié)點(diǎn)通信完畢，那么建立節(jié)點(diǎn)間的通信連接，通知下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的工作。節(jié)點(diǎn)分布示意圖如下圖1所示：

圖1節(jié)點(diǎn)分布示意圖

具體計(jì)算步驟如下：

（1）需要通信的節(jié)點(diǎn)與自身區(qū)域內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)建立連接，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要逐個(gè)完成通信工作，方法如下；

                                  （1） 

 在上面的式子中： 

          （2）

為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在相鄰節(jié)點(diǎn)獲取的通信信息，為節(jié)點(diǎn)間的距離，表示的是誤差系數(shù)，t為更細(xì)通信需要的時(shí)間。

（2）在得到相鄰節(jié)點(diǎn)通信完畢的信息之后，節(jié)點(diǎn)需要提取其中的通信信息，完成自己的通信，方法同上。為了衡量通信對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)連貫性的影響，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)間的通信效率衡量節(jié)點(diǎn)的通信效率，公式為：

    （3）              

上式中，P代表單位時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的通信次數(shù)，T為采集周期。次數(shù)越多，代表節(jié)點(diǎn)的通信能力越強(qiáng)。

通過(guò)以上原理可知，傳統(tǒng)的通信分配算法都是基于逐個(gè)節(jié)點(diǎn)通信完成網(wǎng)絡(luò)的通信的，在以云計(jì)算為基礎(chǔ)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，隨著計(jì)算量的增加，會(huì)出現(xiàn)單個(gè)云節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡造成的通信壞死，一旦節(jié)點(diǎn)壞死，算法會(huì)選擇一個(gè)替代節(jié)點(diǎn)。選擇的過(guò)程往往會(huì)根據(jù)全程路由距離選擇其他替代節(jié)點(diǎn)，選擇過(guò)程隨機(jī)性較大，缺少必要的約束條件，很難保證選擇到最優(yōu)節(jié)點(diǎn)替代節(jié)點(diǎn)，公式1中節(jié)點(diǎn)不能正常選擇，那么由公式2可知，在單位時(shí)間內(nèi)，如果不能完成通信，會(huì)導(dǎo)致P值變小，節(jié)點(diǎn)的通信系數(shù)下降，網(wǎng)絡(luò)通信效率降低。

2基于云節(jié)點(diǎn)損壞小區(qū)域替代的傳感通信算法

2.1 能量耗盡云節(jié)點(diǎn)檢測(cè)與定位

傳感網(wǎng)絡(luò)中，以傳感節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)組成的傳感云網(wǎng)絡(luò)，其是連接外接的接觸。一個(gè)個(gè)的云節(jié)點(diǎn)相互連接，協(xié)同工作。為了對(duì)云節(jié)點(diǎn)中的能量進(jìn)行定義。將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定的區(qū)域劃分。采用當(dāng)前區(qū)域劃分中最為主流的Delaunay多區(qū)域剖分算法將檢測(cè)云節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行范圍劃分，這種劃分可以有效防止重復(fù)劃分，Delaunay多區(qū)域劃分算法是一種可以進(jìn)行云節(jié)點(diǎn)區(qū)域高效劃分方法。要進(jìn)行Delaunay多區(qū)域剖分應(yīng)該滿(mǎn)足以下的一些約束： 

（1）將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，與失效節(jié)點(diǎn)相鄰的多個(gè)節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連線構(gòu)成二維區(qū)域的多邊形區(qū)域；

（2）將包含了失效節(jié)點(diǎn)的多邊形區(qū)域映射在一個(gè)中心部位； 

（3）本身區(qū)域中云節(jié)點(diǎn)的變化不會(huì)對(duì)相鄰區(qū)域或者相隔區(qū)域中的區(qū)域云節(jié)點(diǎn)分布造成影響。

在上述約束下可以進(jìn)行區(qū)域劃分，區(qū)域進(jìn)行劃分后的云節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)?zāi)芰慷x如下： 

                             （4）

上式中，為單個(gè)云節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能，是雙點(diǎn)勢(shì)能的體現(xiàn)，改變量主要體現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。、是兩個(gè)權(quán)重系數(shù)，該系數(shù)決定了、先驗(yàn)?zāi)芰康乃急壤?。這兩個(gè)權(quán)重系數(shù)是正常數(shù)。上述定義下的位置為的單點(diǎn)基團(tuán)的勢(shì)能為:                                    （5）

該式的第一項(xiàng)是對(duì)云節(jié)點(diǎn)深度的限制。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處于能量耗盡的前期較短時(shí)間的一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)處于一個(gè)相對(duì)較小的狀態(tài)。這時(shí)不同的云節(jié)點(diǎn)處在一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化范圍相對(duì)較小的范圍以?xún)?nèi)。代表節(jié)點(diǎn)變化的深度性能值，則： 。

上式中的后兩項(xiàng)能夠有效進(jìn)行云節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)范圍，在能量計(jì)算范疇內(nèi)，、在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化。令、表示云節(jié)點(diǎn)在二維坐標(biāo)的、坐標(biāo)變化幅度值，則： 位置位于處的雙點(diǎn)基團(tuán)勢(shì)能表示式為：             上式中，，是一個(gè)用來(lái)避免平滑的區(qū)分參數(shù)，表示不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

關(guān)于云節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)?zāi)芰靠梢愿鶕?jù)如下定義得到: 

                     上式中，是一個(gè)正常數(shù)表示似然恩那個(gè)量在整個(gè)后驗(yàn)?zāi)芰康谋壤?。根?jù)后驗(yàn)?zāi)芰抗烙?jì)云節(jié)點(diǎn)參數(shù)即：

（6）                          上述分析中，存在多個(gè)局部的最小值點(diǎn)，這是一個(gè)非凸的函數(shù)，通過(guò)函數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題對(duì)能量耗盡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位與檢測(cè)保證通信正常。

2.2區(qū)域距離最小的替代方法

將能量耗盡的云節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確定位后，在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)尋找可以替代該能量耗盡節(jié)點(diǎn)的二維區(qū)域通信節(jié)點(diǎn)。如果通過(guò)連接云節(jié)點(diǎn)，切線與能量耗盡節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域的平面的交點(diǎn)坐標(biāo)為，云節(jié)點(diǎn)的區(qū)域方程式一個(gè)平面可以表示為： 

上式中，P是云點(diǎn)的向量，且；而則是云節(jié)點(diǎn)中頂點(diǎn)的向量表示；代表區(qū)域平面的法向量，上式可以替換為： 

                                                         （7）

將第K步時(shí)的頂點(diǎn)云節(jié)點(diǎn)與的坐標(biāo)連線參數(shù)方程:

首先，

    （8）                  

其中， 0到1的取值范圍內(nèi)。代入，可得交點(diǎn)所在的參數(shù)為

，。（9）

代入上式，得到交點(diǎn)的二維坐標(biāo)：

   在三角區(qū)域內(nèi)，舍去Z坐標(biāo)，保留距離能量耗盡節(jié)點(diǎn)最近的坐標(biāo)，該點(diǎn)的坐標(biāo)可以用來(lái)代替能量耗盡節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.3云節(jié)點(diǎn)位置修正

找到能量耗盡節(jié)點(diǎn)的替代點(diǎn)以后，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確性分析，此時(shí)可以使用云節(jié)點(diǎn)修正，修正的基本思想是設(shè)置真是節(jié)點(diǎn)與替代節(jié)點(diǎn)之間的一個(gè)最大長(zhǎng)度值，在現(xiàn)實(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，替代點(diǎn)的松弛彈性區(qū)間一般只表示為的1.01-1.05倍。這樣的約束可以保證替代節(jié)點(diǎn)是否過(guò)于松弛與原節(jié)點(diǎn)過(guò)遠(yuǎn)。算法步驟如下：

在每一步迭代過(guò)程中，對(duì)新節(jié)點(diǎn)彈性判斷，如果云節(jié)點(diǎn)的伸長(zhǎng)量大于了預(yù)定的，此時(shí)將其縮減至。迭代點(diǎn)如果超出彈性范圍就會(huì)出現(xiàn)在下次迭代中的慣性保持，此時(shí)可以將其失效節(jié)點(diǎn)方向的速度進(jìn)行平行清零，這樣就可以防止節(jié)點(diǎn)松弛的過(guò)渡累積。但是實(shí)驗(yàn)仿真中發(fā)現(xiàn)使用了節(jié)點(diǎn)的修正在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況下效果明顯，但是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的時(shí)網(wǎng)絡(luò)的修正算法性能就會(huì)明顯下降。修正算法性能下降是因?yàn)樵冢耗硞€(gè)迭代時(shí)刻，任意的云節(jié)點(diǎn)過(guò)度拉伸后，該節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)對(duì)方向和修正。如果這兩個(gè)方向值同時(shí)夾角大于90度，這樣的修正效果就會(huì)消失。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)為OMNet++仿真工具和Mobility Framework 2(簡(jiǎn)稱(chēng)MF2)。這兩個(gè)仿真模塊可以將傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)坐標(biāo)與確定坐標(biāo)進(jìn)行定位，完成節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)部署。

本文中的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)槎S平面，平面坐標(biāo)在200m*200m的區(qū)間以?xún)?nèi)。WSNM基站為1，Mesh的節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為5，這兩種站點(diǎn)的通信半徑設(shè)置為50m，MS-WSN網(wǎng)絡(luò)中的Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)同樣設(shè)置為5，半徑同樣,上述兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑都設(shè)置為10m。WSNM的Mesh節(jié)點(diǎn)與MS-WSN的Sink節(jié)點(diǎn)分布在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)采用隨機(jī)部署，在 Sink節(jié)點(diǎn)的接受數(shù)據(jù)因?yàn)樾畔⒘匡柡秃缶蜁?huì)將信息發(fā)送到基站。本文設(shè)置的sink節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存分別為1000、2000、3000、4000個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)存容量，節(jié)點(diǎn)信息融合的比例為1：10。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完全覆蓋的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)全聯(lián)通。圖2所示為傳感器分布圖：

圖2節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100的隨即覆蓋圖

對(duì)其進(jìn)行能量判斷消耗，記錄不同方法下，云節(jié)點(diǎn)的能力消耗。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1本文方法與WSN通信能量消耗數(shù)據(jù)

得到仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Windows XP 操作系統(tǒng)，2.0CPU，2G內(nèi)存的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，使用Matlab對(duì)兩種方法的通信效率變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 本文方法與MS-WSN通信效率變化曲線

從表1和圖3可以看出，在本文的算法協(xié)議支持下云節(jié)點(diǎn)通信效率與網(wǎng)絡(luò)性能大大強(qiáng)于傳統(tǒng)的MS-WSN，并且隨著節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)增加，補(bǔ)償云節(jié)點(diǎn)能效也大于MSN-WSN，總體曲線也優(yōu)于MS-WSN。因?yàn)楸疚牡乃惴梢匝杆僬业教娲?jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行能量耗盡節(jié)點(diǎn)的信息接替。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了本文算法在能耗方面的表現(xiàn)也較優(yōu)秀。同時(shí)本文實(shí)驗(yàn)中的曲線也出現(xiàn)了一定的振蕩，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)中的Mesh節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，這樣網(wǎng)絡(luò)處于一種非最佳的狀態(tài)，這也是本文將要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于小區(qū)域云節(jié)點(diǎn)自動(dòng)距離檢測(cè)替代的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。通過(guò)周邊最近節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)可替代的區(qū)域，通過(guò)計(jì)算小區(qū)域內(nèi)最為有效的距離，選擇合適的云計(jì)算替代節(jié)點(diǎn)。保證通信效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用該方法能夠?qū)Υ笠?guī)模的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的死節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迅速替換，提高了節(jié)點(diǎn)信道的通信效率。這種基于防沖突算法的多機(jī)通信系統(tǒng)能夠應(yīng)用到諸多領(lǐng)域中，并且具有很大的商業(yè)價(jià)值。

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